玉米籽粒脫水速率研究進展

張鳳啟，王邑雙，丁 勇，張 君，趙 霞，趙發(fā)欣，唐保軍

（1河南省農業(yè)科學院糧食作物研究所/河南省玉米生物學重點實驗室，鄭州450002；2鄲城縣第一高級中學，河南周口477150）

0 引言

玉米籽粒脫水速率是決定玉米收獲時籽粒含水量主要因素之一，也是間接影響玉米機收籽粒的重要因素。玉米收獲機械化作業(yè)對于提高生產效率、減輕勞動強度和降低收獲人力成本具有重要的實踐意義。中國玉米機械化收獲作業(yè)發(fā)展緩慢，據(jù)報道，至2013年底，中國玉米機收率為49%[1]，而美國、德國等國家早在20世紀60年代就已經基本實現(xiàn)了玉米生產機械化[2]。分析影響中國玉米機械化收獲作業(yè)的因素，發(fā)現(xiàn)在諸多因素中就玉米品種而言，收獲時玉米莖桿嚴重倒伏和籽粒含水量高是目前主要阻礙因子[3]。其中玉米籽粒含水量在玉米機械化生產作業(yè)中對機收籽粒以及籽粒的品質、儲藏、運輸、加工等環(huán)節(jié)起決定性作用。因此，選擇成熟期含水量低的品種是當前玉米機械化收獲、輕簡化高效栽培的基本要求[4]。

1 玉米籽粒脫水速率測定

玉米籽粒脫水速率是一個較難測定的性狀，就目前尚未有可以對其進行直接測定的儀器或方法，通常利用某一階段含水量變化進行間接統(tǒng)計。如從脫水速率(%/d)公式(1)可以看出，獲得籽粒含水量是統(tǒng)計玉米籽粒脫水速率前提。籽粒含水量是描述籽粒中某一階段水分變化狀態(tài)的最直接指標，顯示了籽粒水分從積累到散失的過程[5]。因此，選擇合適測定方法是準確評價玉米籽粒脫水速率前提。據(jù)Hartand Golumbic分類方法，測定籽粒含水量有直接和間接2種方法。

1.1 直接測定法

直接測定法通常使用國際通用的烘干減重法[6]，進一步根據(jù)烘干原理分為直接烘干法，紅外線烘干法和減壓烘干法。作為一種標準法該方法從1931年一直使用至今。隨著近年來儀器或測定技術不斷更新或完善，為該方法準確性、重復性提供了技術保證。直接烘干法在玉米研究中應用較多，籽粒含水量（公式2）。該方法具有操作簡便、準確性和重復性好等優(yōu)點，但也存在明顯缺點如規(guī)模小等。隨著玉米農藝性狀研究迅速開展，為了滿足高通量表型數(shù)據(jù)統(tǒng)計需要，急需要一種快速的、可以大規(guī)模操作，且不破壞植株或籽粒的方法在田間對玉米籽粒進行直接測定。因此，直接測定法不能滿足目前玉米大規(guī)模研究的需要。

1.2 間接測定法

胡晉等[7]根據(jù)種子水分理化特性與水分含量對應關系，通過基準法校準，開發(fā)了一種間接測定種子含水量的方法。其原理即是利用水分介電常數(shù)大于種子中其他組分介電常數(shù)，進而通過測量與樣品中水分變化相對應的電容變化即為種子含水量[8]。該方法具有操作簡便、快速、易推廣等特點。近年來，新開發(fā)電子探針水分測定儀有DC-10、JCs-1、MT808[9]等，被廣泛應用。向葵[10]對改裝MT808探針水分測定儀和傳統(tǒng)直接法（烘箱法）進行對比研究，發(fā)現(xiàn)利用水分測定儀和烘干法測定的各部分含水量均具有顯著相關性。并發(fā)現(xiàn)使用探針測定時，苞葉含水量對籽粒含水量測定的影響較??；穗軸對籽粒含水量測定影響在籽粒含水量為20%～60%之間影響較大，但超出這個范圍后，影響較小。另外，鶴壁市農科院利用探針式水分測定儀分別測量了玉米籽粒+苞葉、籽粒水分含量，通過與傳統(tǒng)烘干法測量的籽粒、穗軸、苞葉含水量比較，發(fā)現(xiàn)二者之間呈極顯著正相關；并在2種測量方法之間建立了回歸模型，進一步優(yōu)化了利用探針式水分測定儀對籽粒含水量的測定方法。

2 玉米籽粒脫水速率與其它相關農藝性狀關系

玉米籽粒脫水速率在不同種質材料或品種之間存在顯著差異，通過對玉米幾大種質類群材料籽粒脫水特性比較分析，發(fā)現(xiàn)唐四平頭和蘭卡斯特脫水特性高于其他群[11]。就材料本身而言，其自身具備特征特性或相關農藝性狀，如生理成熟期含水量、穗部特征、籽粒類型以及品質性狀等都直接或間接對籽粒脫水速率產生影響[12]。

2.1 玉米生理成熟期含水量與籽粒脫水速率關系

玉米收獲期籽粒含水量主要由干物質積累速度、生理成熟期含水量和脫水速率3個因素決定[13]。隨著玉米籽粒發(fā)育的進程，玉米籽粒含水量逐漸降低。植株授粉后0～16天為籽粒分裂繁殖期，此期干物質積累較少，含水量為80%～90%。授粉后16～40天為乳熟期和蠟熟期，籽粒體積和干物質迅速增加，含水量為40%～80%。授粉后40～55天為脫水干燥期，籽粒從頂部開始干燥，乳線自頂部向下移動，該階段脫水強度最高，含水量為25%～40%[14]，不同品種的籽粒在該階段脫水速度存在差異。當乳線消失，黑色層出現(xiàn)為生理成熟期[15]；隨之苞葉變干、蓬松，直到收獲[16-17]。有研究報道，玉米生理成熟后，粒重處于恒定狀態(tài)，但水分迅速散失，不同材料之間水分散失速度存在明顯差異，因此認為這一階段籽粒脫水速率決定收獲時籽粒含水量[18]。

2.2 穗部特性對玉米籽粒脫水速率影響

在所有與玉米籽粒脫水相關農藝性狀中，最直接影響籽粒脫水速率是穗部性狀[12]。國內外自20世紀初就已開展了玉米籽粒脫水速率研究。據(jù)報道，玉米籽粒脫水速率與苞葉數(shù)量、苞葉厚度、苞葉長度、穗粗、軸粗等農藝性狀關系密切。Zuber等[19]發(fā)現(xiàn)苞葉厚度是玉米籽粒脫水速率重要影響因素；苞葉含水量和脫水速率是籽粒含水量下降的決定性因素[20]；苞葉數(shù)越多，籽粒脫水越慢[21]；而短苞葉和果皮透性好有助于籽?？焖倜撍甗22]。隨著穗粗和軸粗增加，籽粒含水量增加；穗行數(shù)越少，果穗越細，穗軸也就越細，籽粒脫水速率與穗軸脫水速率呈極顯著正相關，而與穗長、行粒數(shù)呈顯著負相關[23]。

2.3 籽粒類型對玉米籽粒脫水速率影響

據(jù)研究報道，籽粒脫水速率與籽粒寬度、籽粒長度呈顯著負相關[24]。而劉思齊等[25]研究表明籽粒脫水速率與籽粒長度呈顯著負相關，但與寬度、厚度相關性不顯著。籽粒果皮厚度與籽粒脫水速率呈負相關，而與籽粒含水量呈正相關[26]。就籽粒類型而言，研究結果不一。有些報道認為籽粒偏硬或中間型、出籽率高的品種含水量低[27]。而金益等[4]、李艷杰等[28]研究認為馬齒型品種脫水速度快于硬粒品種。也有研究認為在生理成熟后脫水速率硬粒和馬齒之間本質上沒有區(qū)別。馬齒型籽粒脫水特性高于硬粒型，其原因可能是籽粒內含物質差異所致，如淀粉沉淀方式或籽粒表面積大小等[29]。

2.4 籽粒品質性狀對玉米籽粒脫水速率影響

有研究認為玉米籽粒蠟熟后自身生理活動基本停止，影響籽粒脫水快慢主要原因是內含物成分[30]，如：籽粒含油量、淀粉、蛋白等參數(shù)。隨著含油量增加，含水量也隨之呈線性增加，而脫水速率下降[31]；淀粉含量、支鏈淀粉與籽粒脫水速率呈極顯著正相關[32]。谷蛋白、脂肪、胚占體積和清蛋白在籽粒脫水速率上均起負效應[32]。即籽粒清蛋白、谷蛋白、脂肪含量越低及胚體積越小，則籽粒脫水速率表現(xiàn)越快。而雷蕾等[33]研究發(fā)現(xiàn)收獲期籽粒含水量與籽粒中蛋白質含量、脂肪含量呈正相關，與淀粉含量呈負相關。在干旱條件下，普遍認為籽粒建成能力較弱，干物質線性積累能力強，胚乳失水成熟較早，使得籽粒脫水速率較快[34]；但就二者之間遺傳關系目前尚未有研究報道。另外，生理成熟后，籽粒灌漿過程越短，后期籽粒脫水越快；若灌漿速度慢，則籽粒脫水慢[35-36]。

2.5 玉米生育期及其他因素對籽粒脫水速率影響

玉米生育期、株高、穗位以及灌漿期綠葉數(shù)與籽粒脫水速率關系密切。晚熟玉米品種收獲時籽粒含水量普遍表現(xiàn)較高[37]。李鳳海等[23]研究發(fā)現(xiàn)籽粒自然脫水速率與穗位高、株高均呈顯著負相關。譚福忠等[38]研究發(fā)現(xiàn)玉米葉面積指數(shù)、灌漿期綠葉數(shù)、株高、穗長以及單穗產量均與收獲期籽粒含水率呈顯著正相關。此外，播期、收獲期以及玉米生育后期氣象因子如空氣溫度、濕度、風速、日輻射、降雨等對籽粒脫水速率具有重要影響[39-40]，而種植密度、株行距、水肥管理等栽培措施對籽粒脫水也有一定影響[41]。

3 玉米品種籽粒脫水速率遺傳改良及遺傳機制研究

3.1 玉米品種籽粒脫水速率遺傳改良

玉米籽粒收獲期含水量主要由生理成熟前后籽粒脫水速率控制，并可遺傳[41]，因此可以通過育種手段選育出生理成熟期和收獲時籽粒含水率低的品種。在中國玉米生產實踐中，因長期以來以人工收獲為主，高產為育種主要目標，又因籽粒脫水性狀復雜性，因此，相關研究進展緩慢。劉艷秋等[42]分析了1970s—2000s大面積推廣的玉米單交種，通過比較發(fā)現(xiàn)新品種籽粒灌漿速率快于以前老品種；新品種穗軸、苞葉和籽粒含水量均高于老品種。穗軸脫水速率則老品種明顯快于新品種；籽粒、苞葉脫水速率在不同年代品種之間并無明顯差異。

基于玉米籽粒脫水速率與其他農藝性狀關系以及遺傳特性，有些專家提出關于提高玉米籽粒生理成熟后脫水速率的育種策略：（1）穗部及籽粒性狀：選擇苞葉較為松散，苞葉長度與果穗等長，薄果皮（以8 μm取代90～140 μm），穗粗（穗行18～20行）與穗軸均較細的中間偏硬粒型種質（千粒重為300～350 g）[43]；（2）株型性狀：株高較低，株型清秀，通透性好，穗上葉片間距大，葉片窄，長短合理[41]。另外，李淑芳等[35]研究認為在選育玉米品種時，應結合農藝性狀、品質性狀與籽粒脫水速率相關性，綜合考慮玉米籽粒發(fā)育進程，并注意外部環(huán)境影響，兼顧父母本效應。

3.2 玉米籽粒脫水速率遺傳及QTL定位研究

玉米籽粒脫水速率是一個數(shù)量性狀，受多基因調控及環(huán)境影響。據(jù)研究報道，玉米生理成熟后籽粒脫水速率在遺傳上主要表現(xiàn)為加性效應，高度遺傳[30]。Killoyko等[44]研究也發(fā)現(xiàn)脫水速率主要受加性效應基因控制，可以高度遺傳。其廣義遺傳力為81.24%，狹義遺傳力為72.68%[45]。另外，Magari等[46]研究發(fā)現(xiàn)玉米籽粒脫水速率受環(huán)境影響較大，基因與環(huán)境互作效應較強。而Schmidt等[47]發(fā)現(xiàn)生理成熟后籽粒含水量大于或等于30%時，脫水速率易受空氣溫度影響；而籽粒含水量小于30%時，與空氣中相對濕度有關。

近年來，利用分子標記對玉米籽粒脫水速率QTL定位研究也取得了一些進展。劉顯君等[48]檢測出分布于5條染色體上與生理成熟后籽粒自然脫水速率相關9個QTL，其中第2、第6染色體上的QTL在多個環(huán)境下重復檢測出，并確定快速脫水等位基因來源于親本吉846。Rodrigo等[49]利用F2:3永久家系檢測出3個控制成熟前一周籽粒脫水速率QTL。向葵[10]通過匯總有關玉米籽粒含水量和玉米穗粒腐病抗性QTL定位結果，基于元分析方法篩選出兩個性狀的“一致性”QTL重疊區(qū)域14個。Li等[50]研究檢測出玉米籽粒含水量相關的QTL40個，籽粒脫水速率相關QTL35個，并認為籽粒重量和籽粒含水量可以同時進行遺傳改良。Capelle等[51]利用QTL定位方法檢測出有關籽粒脫水QTL43個，籽粒重量15個，脫落酸含量相關的20個，并發(fā)現(xiàn)水通道蛋白基因與籽粒脫水速率有關。孫樂秀等[3]研究發(fā)現(xiàn)與自然脫水速率相關SNP23個，重要標記有 4個，其中 2個 SNP標記(SYN13065，PZE-105068038)所連鎖基因主要與籽粒脫水過程中種子活力保持、生物膜保護、細胞內環(huán)境穩(wěn)態(tài)的維持有關。

3.3 玉米籽粒脫水速率相關功能基因研究

功能基因研究方面，近年來，有關作物籽粒含水量調節(jié)基因，尤其在玉米上的研究報道比較有限。研究報道相對較多，如二族LEA蛋白，又稱為脫水素，在籽粒成熟時產生，屬于脫水家族蛋白[52]。Capelle等[51]發(fā)現(xiàn)LEA蛋白Emb5、Rab17(Dhn1)和Rab28基因在玉米授粉后60天、80天的籽粒內上調表達。與籽粒脫水相關蛋白——水通道蛋白(PIP)[53]，其中PIP1.2、PIP1.3、PIP2.1和PIP2.2分別在玉米授粉后30天、40天、60天、80天的籽粒內大幅度上調表達。

4 問題及展望

4.1 問題

截至到目前，國內外對玉米籽粒脫水速率研究盡管取得了一些進展，但也存在一些問題：（1）生產中脫水快的玉米品種較少。自20世紀90年代以來中國培育出的大多數(shù)為大穗、晚熟、高稈、籽粒脫水慢的玉米品種。而且玉米籽粒脫水性狀屬于復雜數(shù)量性狀，易受環(huán)境影響，基因難于聚合于一體獲得優(yōu)勢個體。目前在大多數(shù)玉米主產區(qū)，收獲時玉米籽粒含水量普遍在30%～40%。因此，為適應當前及未來玉米高效、穩(wěn)產及機械化生產目標，明確和調整玉米育種方向是我們當前主要工作。（2）缺乏精準表型鑒定方法。玉米脫水速率是一個較難測定性狀，且在實際育種中很難直接測定。田間測定時不僅考慮品種自身生育期等農藝性狀差異，生育后期溫度、日輻射、風速、降雨等生態(tài)氣象因子以及播期、種植密度等栽培措施對其測定結果的影響也不可忽視。（3）遺傳機制研究進展緩慢。近年來有關玉米籽粒脫水相關性狀QTL定位研究相對較少，檢測出的QTL數(shù)量少，現(xiàn)今能夠有效利用的也極少。因此，亟需加強對籽粒脫水速率的遺傳研究。

4.2 展望

隨著中國農村土地流轉政策的實施，農村勞動力不斷轉移，務農勞動力越來越少，使得玉米生產成本不斷增加，因此，全程機械化是玉米生產不可逆轉趨勢。選擇適當早熟、籽粒發(fā)育后期脫水快、收獲時含水量低的品種是中國各玉米產區(qū)實現(xiàn)機械粒收技術的關鍵措施。截至到目前，中國機收玉米新品種如‘橋玉8號’、‘創(chuàng)玉107’、‘云臺玉39’、‘聯(lián)想98’、‘新單68’等逐步得到推廣。在培育新品種的同時，加強對新農機或檢測技術開發(fā)；并結合利用當前高通量分子生物學技術如高通量基因組測序以及RNA-seq等技術深入開展玉米籽粒脫水速率的遺傳研究，進一步挖掘有關玉米籽粒脫水速率相關功能基因以及培育出脫水速率快、高產穩(wěn)產玉米品種是未來玉米遺傳研究熱點。近兩年本課題組致力于玉米籽粒脫水速率及含水量研究，并配置了相關大田直接測定水分的探針式儀器，已從現(xiàn)有自育或引進材料中篩選出籽粒脫水速率快、早熟種質材料，下一步將利用RNA-seq以及QTL定位相結合的方式開展玉米籽粒脫水速率遺傳研究。